計(jì)算機(jī)組成原理-實(shí)驗(yàn)八-簡單模型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)八簡單模型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^實(shí)驗(yàn)分析簡單模型機(jī)結(jié)構(gòu)，了解計(jì)算機(jī)的工作原理。掌握計(jì)算機(jī)微程序控制器的控制方法，掌握計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行過程實(shí)驗(yàn)原理基本整機(jī)模型數(shù)據(jù)框圖如圖所示，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)指令周期全部由微指令組成的序列來完成，即一條機(jī)器指令對應(yīng)一個(gè)微程序。數(shù)據(jù)的通路從程序計(jì)數(shù)器PC的地址送到主存的地址寄存器，根據(jù)地址寄存器的內(nèi)容找到相應(yīng)的存儲單元。存儲器中的數(shù)據(jù)是指令時(shí)，那么數(shù)據(jù)是從RAM送到總線，再從總線送到IR中。存儲器中的數(shù)據(jù)是需要加工的數(shù)據(jù)時(shí)，那么數(shù)據(jù)是從RAM送到總線，再動總線送到通用寄存器中等待加工。數(shù)據(jù)加工過程中，兩個(gè)數(shù)據(jù)是從總線上將數(shù)據(jù)分別分時(shí)壓入兩個(gè)暫存器中，等待運(yùn)算部件的加工，在數(shù)據(jù)加工完成以后。運(yùn)算結(jié)果是通過三太門送到總線上。三態(tài)門的控制時(shí)由微控制器來控制。圖：模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路圖實(shí)驗(yàn)過程連線按實(shí)驗(yàn)邏輯原理圖連接以下控制信號。時(shí)鐘單元（CLOCKUNIT）的T1-T4接到微程序控制單元（MAINCONTROLUNIT）微程序控制單元（MAINCONTROLUNIT）編程開關(guān)置于“RUN”狀態(tài)。手動控制開關(guān)單元（MANUALUNIT）的“STRP/RUN”開關(guān)置于“STEP”狀態(tài)。手動控制開關(guān)單元（MANUALUNIT）的KA、KB開關(guān)置于1、1或0、0運(yùn)行機(jī)器碼狀態(tài)。撥動開關(guān)從1-0-1，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，清零程序計(jì)數(shù)器PC、微地址寄存器。按動“START”按鈕一次，從微程序控制存儲器的00H微地址開始執(zhí)行微指令，暫停在08H或0BH微地址處；第二次按動“START”按鈕，暫停在01H微地址處，開始執(zhí)行機(jī)器指令的公共操作。第三次按動“START”按鈕，暫停在02H微地址處；第四次按動“START”按鈕，暫停在03H微地址處；接著第五次按動“START”按鈕，暫停在10H微地址處，準(zhǔn)備各條機(jī)器指令的散轉(zhuǎn)。接下來微地址隨著主存儲器中機(jī)器指令匯編程序指令的不同而作不同的變化，實(shí)驗(yàn)者可根據(jù)表2-26和表2-15中的內(nèi)容觀察各部件的動作變化。連續(xù)運(yùn)行機(jī)器指令匯編程序微程序控制單元編程開關(guān)置于“RUN”狀態(tài)。手動控制開關(guān)單元的“STEP/RUN”開關(guān)置于“RUN”狀態(tài)。手動控制開關(guān)單元的KA、KB開關(guān)置于1、1或0、0運(yùn)行機(jī)器碼狀態(tài)。撥動開關(guān)從1-0-1，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，清零程序計(jì)數(shù)器PC、微地址寄存器。按動“START”按鈕一次，模型計(jì)算機(jī)將自動執(zhí)行表2-26中的機(jī)器指令匯編程序，程序功能是對輸入數(shù)據(jù)開關(guān)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)加操作，若在輸入數(shù)據(jù)開關(guān)上撥01H，則進(jìn)行連續(xù)加“1”操作；若撥03H，則進(jìn)行連續(xù)加“3”操作。微指令運(yùn)行步驟 機(jī)器指令寫入控制臺指令機(jī)器指令讀出 機(jī)器指令執(zhí)行取指 譯碼機(jī)器指令執(zhí)行 執(zhí)行 訪存寫回結(jié)果與總結(jié)記錄實(shí)驗(yàn)過程中的情況和原始數(shù)據(jù)。參照算術(shù)加法指令的微程序操作過程，能否自己設(shè)計(jì)一條無借位算術(shù)減法指令的微程序操作代碼，以擴(kuò)充模擬計(jì)算機(jī)的功能。記錄每條機(jī)器指令結(jié)束時(shí)的模擬模型計(jì)算機(jī)各指示燈上的信息，用16進(jìn)制形式填入表2-27中，并說明這些信息的意義。結(jié)合上面的問題總結(jié)出總線的特性和使用方法，以及解決問題的方法和過程，把觀察到的現(xiàn)象和對書本上原理的理解寫入實(shí)驗(yàn)報(bào)告。表2-27實(shí)驗(yàn)八結(jié)果記錄機(jī)器狀態(tài)輸入指示燈總線指示燈微地址指示燈微指令碼指示燈輸出指示燈指示燈信息含義初始狀態(tài)01FF0001C00894將執(zhí)行00地址中的指令01C008H控制臺指令結(jié)束時(shí)01FF01DC400294執(zhí)行完后地址跳轉(zhuǎn)至01HIN結(jié)束時(shí)01010194輸入01H中的數(shù)據(jù)ADD結(jié)束時(shí)01950194與輸入數(shù)相加STA結(jié)束時(shí)01950194將結(jié)果送01HOUT結(jié)束時(shí)01950195將01H數(shù)據(jù)輸出JMP結(jié)束時(shí)01000195跳轉(zhuǎn)至00H附錄實(shí)驗(yàn)箱介紹PC微機(jī)PC微機(jī)邏輯分析及監(jiān)測（單片機(jī)）邏輯分析及監(jiān)測（單片機(jī)）運(yùn)算器寄存器報(bào)警輸入/輸出中斷主存儲器總線微程序控制器指令地址時(shí)鐘手動控制開關(guān)實(shí)驗(yàn)儀基本組成框圖簡單模型計(jì)算機(jī)構(gòu)架簡單模型計(jì)算機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示，構(gòu)成簡單模型計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)部件以總線為基本連接通道，主要有以下7個(gè)：算術(shù)邏輯運(yùn)算部件ALUUNIT進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算操作。存儲器部件MEMUNIT，存儲模型計(jì)算機(jī)匯編語言程序和操作數(shù)據(jù)。地址寄存器部件ADDRESSUNIT,包含兩部分電路，地址寄存器AR：接收存儲器程序中的指令地址和指令中的數(shù)據(jù)地址；指令地址計(jì)數(shù)器PC：用于指示程序中的指令地址并通過地址緩沖器送往地址寄存器AR。指令寄存器部件INSUNIT，寄存器當(dāng)前正在執(zhí)行的機(jī)器指令，此指令的指令碼通過指令譯碼器向微程序控制器指示相應(yīng)的微程序入口地址；此指令的地址碼指示的操作數(shù)地址，送往地址寄存器AR。輸入/輸出部件INPUT/OUTPUT,操作數(shù)據(jù)的輸入與輸出顯示。通用寄存器部件REGUNIT,暫存運(yùn)算的中間數(shù)據(jù)。微程序控制器部件MAINCONTROLUNIT，控制各部件完成指令的功能。圖1-簡單模型計(jì)算機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)圖總線結(jié)構(gòu)總線是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路，是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架。借助總線連接，計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)各部件之間實(shí)現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的操作。因此，所謂總線就是指能為多個(gè)功能部件服務(wù)的一組公用信息線。總線傳輸實(shí)驗(yàn)框圖如下圖所示，它將幾種不同的設(shè)備掛至總線上，有存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、寄存器。這些設(shè)備都需要有三態(tài)輸出控制，按照傳輸要求恰當(dāng)有序的控制它們，就可實(shí)現(xiàn)總線信息傳輸。運(yùn)算器ALU運(yùn)算器ALU由一片ispLSI1024（U47）組成，在選擇端S2、S1、S0控制下，對數(shù)據(jù)A和B進(jìn)行加、減、與、直通、乘五種運(yùn)算，功能如下：運(yùn)算器功能表選擇操作S2S1S0000A&B001A&A(直通)010A+B011A-B100A（低4位）×B（低4位）進(jìn)位C只在加法運(yùn)算和減法運(yùn)算時(shí)產(chǎn)生。加運(yùn)算中，C表示進(jìn)位；減運(yùn)算中，C代表借位。加、減運(yùn)算產(chǎn)生的進(jìn)位（借位）在T4的上升沿送入C寄存器保存。與、乘、直通操作不影響進(jìn)位C的狀態(tài)，即進(jìn)位C保持不變。當(dāng)ALU_BUS=1時(shí)，運(yùn)算結(jié)果送往數(shù)據(jù)總線DBUS。加、減運(yùn)算產(chǎn)生的進(jìn)位（借位）C與控制臺的C指示燈相連。地址寄存器地址寄存器AR1（U37）和AR2（U27、U28）提供雙端口存儲器的地址。AR1是一片GAL22V10，具有加1功能，提供雙端口存儲器左端口的地址。AR1從數(shù)據(jù)總線DBUS接收數(shù)據(jù)。AR1的控制信號是LDAR1和AR1_INC。當(dāng)AR1_INC=1時(shí)，在T4的上升沿，AR1的值加1；當(dāng)LDAR1=1時(shí)，在T4的上升沿，將數(shù)據(jù)總線DBUS的數(shù)據(jù)打入地址寄存器AR1。AR2由2片74HC298組成，有兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端，一個(gè)來自程序計(jì)數(shù)器PC，另一個(gè)來自數(shù)據(jù)總線DBUS。AR2的控制信號是LDAR2和M3。M3選擇數(shù)據(jù)來源，當(dāng)M3=1時(shí)，選中數(shù)據(jù)總線DBUS；當(dāng)M3=0時(shí)，選中程序計(jì)數(shù)器PC。LDAR2控制何時(shí)接收地址，當(dāng)LDAR2=1時(shí)，在T2的下降沿將選中的數(shù)據(jù)源上的數(shù)據(jù)打入AR2。指令寄存器指令寄存器IR是一片74HC374（U20）。它的數(shù)據(jù)端從雙端口存儲器接收數(shù)據(jù)（指令）。當(dāng)LDIR=1時(shí)，在T4的上升沿將來自雙端口存儲器的指令打入指令寄存器IR保存。指令的操作碼部分送往控制器譯碼，產(chǎn)生各種所需的控制信號。大多數(shù)情況下，指令的操作數(shù)部分應(yīng)連到寄存器堆（用戶自己連接），選擇參與運(yùn)算的寄存器。在某些情況下（條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)），指令的操作數(shù)部分也參與新的PC的計(jì)算。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了12條基本的機(jī)器指令，均為單字長（8位）指令。指令功能及格式如表2所示。表2中的X代表隨意值；RS1、RS0指的是寄存器堆的B端口選擇信號RS1、RS0；RD1、RD0指的是寄存器堆的A端口選擇信號RD1、RD0，不過由于運(yùn)算結(jié)果需寫回，因此它也同時(shí)指WR1、WR0，用戶需將它們對應(yīng)連接。另一點(diǎn)需說明的是，為了簡化運(yùn)算，指令JCD中的D是一個(gè)4位的正數(shù)，用D3D2D1D0表示。機(jī)器指令格式名稱助記符功能指令格式R7R6R5R4R3R2R1R0加法ADDRd,RsRd+RsRd0000RS1RS0RD1RD0減法SUBRd,RsRd-RsRd0001RS1RS0RD1RD0乘法MULRd,RsRd*RsRd0010RS1RS0RD1RD0邏輯與ANDRd,RsRd&RsRd0011RS1RS0RD1RD0存數(shù)STARd,[Rs]Rd[Rs]0100RS1RS0RD1RD0取數(shù)LDARd,[Rs][Rs]Rd0101RS1RS0RD1RD0無條件轉(zhuǎn)移JMP[Rs][Rs]PC1000RS1RS0××條件轉(zhuǎn)移JCD若C=1，PC+DPC若C=0，PC+1PC1001D3D2D1D0停機(jī)STP暫停運(yùn)行0110××××中斷返回IRET返回?cái)帱c(diǎn)1010××××開中斷INTS允許中斷10